強夯法與CFG樁法在儲罐地基處理中的應用

阮廣雄

（廣東寰球廣業工程有限公司,廣州 510655）

強夯法與CFG樁法在儲罐地基處理中的應用

阮廣雄

（廣東寰球廣業工程有限公司,廣州 510655）

石油化工行業中大型儲罐的地基基礎設計對整個工程有著重要影響。結合實際工程，采用強夯法及CFG樁法進行儲罐地基處理，從設計角度分析方案的選取和處理效果，匯總了沉降監測結果做對比總結。提出了關于大型儲罐地基基礎設計中的幾點實踐經驗，為今后設計和施工提供參考。

儲罐；地基；強夯法；CFG樁；復合地基

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.019

1 引言

隨著石油化工工業的快速發展，各地開展了一大批儲罐工程建設，大部分建在臨海或沖積平原的回填地區 (靠近碼頭)，并且儲罐容量越來越大，特別是大型儲罐(≥50000m3)，直徑和高度大，豎向荷載重，對地基土的承載力和變形要求相當高。尤其對差異沉降指標控制嚴格，若超過工藝要求及規范允許值[1]，有可能導致罐體傾斜或失穩，使儲罐破裂，造成嚴重的次生災害。目前，工程技術人員在實踐探索中總結了一些儲罐地基處理的經驗成果[2～5]。筆者結合具體設計項目，采用強夯法與CFG樁法處理大型儲罐地基，并在實踐中取得預期效果。

2 工程概況

國內一煉油項目規劃十座10×104m3的內浮頂式儲罐，每個儲罐直徑80m，高約20m。建設場區屬山前平原(沖、洪積成因)地貌，且位于挖填方區內。場地第四系覆蓋層多為人工回填、沖洪積、湖相沉積、殘坡積成因，下伏基巖主要分布有寒武系、泥盆系白云巖、泥巖、砂巖、角礫巖及二疊系泥巖、砂巖、鋁土巖等。各巖土層地基承載力特征值和壓縮模量見表1。

場地為建筑抗震一般地段，中硬土，建筑場地類別Ⅱ類。抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度0.20g，設計地震分組為第三組。無液化地層。

場地土對混凝土結構為弱腐蝕，對鋼筋混凝土結構中鋼筋為微腐蝕，對鋼結構為弱腐蝕。地下水類型主要為黏性土、

殘坡積土、全風化基巖等層中的上層滯水，分布不均勻，基巖裂隙水不發育。鉆探期間水位變化幅度大，沒有統一穩定的潛水水位。

表1 地基承載力特征值、壓縮模量

3 地基基礎方案

3.1 地基處理方案

根據勘察報告，場地淺部范圍內存在第②-1、第③-1兩個軟弱層，黏土含有機質，呈軟塑～可塑，中～高壓縮性，工程力學性質差。鑒于此，初選方案有兩種：

方案一，樁基礎。不論在挖方區還是填方區，采用灌注樁或預制管樁等直接穿越兩個軟弱層。灌注樁樁徑0.6m，平均樁長14m，樁數約1 200根。

方案二，地基處理。挖方區和填方區的處理方式分別考慮，對于挖方區采用強夯法(高能級)，對于填方區采用強夯(低能級)+復合地基聯合法。

對于方案一，樁基礎施工周期短，承載力高，以端承為主的樁基沉降和差異沉降小，但樁長較長，以摩擦為主的樁基又不能滿足儲罐對地基變形的要求；且樁基需設置鋼筋混凝土承臺（又稱“大圓餅”，面積不小于罐底板面積，混凝土用量相當高），整體成本偏高。對于方案二，針對性強，有成本優勢，地基承載力可滿足儲罐荷重要求，但對沉降的控制未必能達到預想效果，且施工周期長。結合當地經驗，綜合技術、經濟、施工周期等指標，選用方案二且按以下原則進行地基處理：

1)挖方區采用15 000kN·m能級強夯法輔以換填軟弱土層，換填料均為當地容易獲取的級配灰巖碎塊石料。再用3000kN·m能級強夯至設計要求。

2)填方區先用4000kN·m能級強夯至160kPa，再用0.5m樁徑、14m樁長的CFG樁形成復合地基，樁數約1381根。

3)要求處理后地基承載力達到260kPa，壓縮模量不小于18MPa。

各方案估算成本對比見表2。

表2 地基處理方案估算成本對比

3.2 儲罐基礎選型

儲罐基礎選型時應根據儲罐的型式、容積、地質條件、地基處理方法、施工技術條件和經濟合理性進行綜合考慮。目前，有4種常用基礎型式：護坡式基礎、環墻式基礎、外環墻式基礎和樁基礎。本項目做了地基處理，適宜選用整體剛度較大并且對差異沉降有一定調節作用的環墻式基礎。環墻基礎的設計也可視為地基處理的延伸。

4 地基承載力和變形計算

4.1 地基承載力計算

挖方區通過高能級強夯來達到承載力不小于260kPa，壓縮模量不小于 18MPa的加固要求，有效加固深度10.0～13.0m。填方區先用低能級普夯一遍，再施工CFG樁。采用長螺旋泵壓灌注成樁，C20混凝土，樁徑0.5m，樁端以第⑤-1層為持力層。選取編號T-001C儲罐中的代表性鉆孔ZK97作為計算依據，T-001C儲罐勘探點布置見圖1，鉆孔土層信息見表3。

圖1 T—001C儲罐勘探點平面布置圖

表3 鉆孔ZK97土層信息

1)單樁承載力特征值Ra，安全系數取2。

2)樁體試塊抗壓強度平均值fcu

3)CFG樁復合地基承載力特征值fspk

按規范[6]，樁間土承載力折減系數取β=0.7；處理后樁間土承載力特征值取低能級強夯后達到要求的fsk=160kPa；CFG樁按2m×2m間距布置，對應的面積置換率由此得復合地基承載力特征值=296kPa＞260kPa，滿足設計要求。

4)復合地基壓縮模量Es

由于第①層素填土在強夯時基本被灰巖碎塊及石料置換掉，環墻基礎落在置換層上，其下臥層則為第②層粉質黏土，壓縮模量為6.4MPa。強夯后土層fak=160kPa，CFG壓縮模量提高系數若要使復合地基滿足Es≥ 18MPa，則必須使置換層及第②層粉質黏土的壓縮模量在強夯后達到10MPa以上，而這一要求通過強夯是不難實現的。即CFG樁復合地基的Es能滿足設計要求。

4.2 變形驗算

儲罐地基變形特征有三個：整體傾斜（任意直徑方向）、罐周邊不均勻沉降、罐中心與周邊沉降差。規范對這三個特征均有量化的允許值，以此作為控制儲罐地基變形的指標。本項目每座10×104m3內浮頂儲罐直徑Dt=80m，沿周邊布置12個勘探點，每個勘探點的沉降差可視為罐周邊不均勻沉降。查規范[1]得：

據相關調查結果顯示:在回答“我碰到問題首先找誰商量”時，選擇同伴選項的占70%，選擇父母的占10%，選擇老師的占8%，選擇其他的占12%。這表明，當學生碰到麻煩時，他們首先想到的是自己的同伴。社會心理學的研究證明，與在各方面接近自己的人交往，人們普遍更能打開話題，交友交心，因為人際吸引具有一致性原則，相似的人更容易相互肯定，更容易進行平等交往，也更能增強交往的效果。

儲罐底板一般都設計成一定坡度，從圓心坡向四周，既有工藝操作流程上的要求，也有對罐底板采取措施抵消較大變形的考慮，類似于大跨度結構跨中起拱的原理。本工程儲罐底板采用2%的設計坡度（起拱），規范要求沉降穩定后底板的坡度≥0.008，也就是說罐中心與周邊沉降差應≤2%～0.008，則(半徑40m)：

以T-001C儲罐為例，見圖1，根據各個鉆孔的土層信息進行沉降計算，得到罐中心點及周邊12個點的沉降值，再取相互兩點的沉降值之差與比較，即可驗算該儲罐地基變形是否滿足規范要求。T-001C儲罐沉降驗算見表4～表7，其余儲罐同此做法進行驗算。

表4 T-001C罐各鉆孔沉降值

表5 T-001C罐整體傾斜(任意直徑方向)

表6 T-001C罐周邊不均勻沉降

表7 T-001C罐中心點ZK98與周邊沉降差(沉降穩定后)

5個點超出限值。分析原因，是由于計算各鉆孔沉降值時采用了原始土層的壓縮模量，該鉆孔中軟弱層較厚致使計算值偏大，如ZK108的沉降值達25.8cm。而實際上，在CFG樁施工前，場地進行了低能級的強夯，有關位置的壓縮模量應比原始壓縮模量要大得多，實際的計算值基本能滿足設計要求。另一方面，儲罐選用整體剛度較大的環墻式基礎，對罐周邊不均勻沉降有良好調節作用，實踐證明了該地基處理方案是可行的。

5 實測沉降結果及分析

儲罐施工完成后進行充水預壓試驗，實測各儲罐的平均沉降值、整體傾斜最大值(任意直徑方向沉降差最大值)、罐周邊不均勻沉降最大值(相鄰點沉降差最大值)，列于表8、表9。

表8 挖方區采用高能級強夯后各儲罐實測沉降

表9 填方區采用低能級強夯+CFG樁處理后各儲罐實測沉降

另一方面，比較強夯法與強夯+CFG樁法的沉降結果實測值，雖然前者（高能級強夯法）的整體平均沉降比后者（低能級強夯+CFG樁法）小，但整體傾斜、周邊沉降差這兩個規范給出的主要控制指標，前者均比后者大，說明后者在儲罐地基處理的使用上效果更優。深入分析原因，CFG樁復合地基由于使用物理力學性質更好的填料形成增強體置換了部分土體，對于各個測點的沉降值來說比較平均，由此算得的傾斜、沉降差數值相對小；而在計算復合地基變形時，除了復合土層自身的變形，還需計算以下未加固土層的變形（即計算深度應大于復合土層深度），因此算得的地基整體變形有可能大于采用高能級強夯后的地基變形。

6 結語

本項目在挖填方場區進行大型儲罐基礎的施工，總結以下幾點經驗。

1)儲罐地基基礎設計中，除了計算地基承載力，還需要重視地基變形驗算。規范給出了三個變形控制指標：整體傾斜（任意直徑方向）、罐周邊不均勻沉降和罐中心與周邊沉降差（沉降穩定后）。

2)當具備可行性和適用性時，大型儲罐地基基礎采用強夯法或復合地基比直接采用樁基礎更具經濟上的優勢。

3)挖方區采用15 000kN·m以上的高能級強夯加固，填方區采用4000kN·m低能級強夯+CFG樁復合地基，兩者均可取得良好的地基處理效果，并可滿足大型儲罐對地基承載力和變形的要求。

4)罐基礎的設計也可視為地基處理的延伸，環墻式基礎整體剛度大，對差異沉降有一定調節作用，在技術和經濟指標的綜合上比其他基礎形式更加均衡。

【1】GB 50473—2008鋼制儲罐地基基礎設計規范[S].

【2】羅聰.中洛線石油儲罐地基處理技術分析[J].建筑工程技術與設計，2015（4）：45-46.

【3】劉暢.大型儲罐地基的選擇以及計算[J].硅谷，2014（1）：89-90.

【4】林齊云.基于碎石樁復合地基的鋼儲罐地基加固分析[J].中國新技術新產品，2012（7）：44-44.

【5】趙榮超.淺析大型儲罐基礎設計與地基處理[J].科技創新導報，2015(29)：68-69.

【6】JGJ79—2012建筑地基處理技術規范[S].

Application of theDynamic CompactionMethod and CFG Pile Method in StorageTank Foundation Treatment Project

RUAN Guang-xiong
(GuangdongGlobalConstructionEngineeringCo.Ltd.，Guangzhou 510655，China)

The foundation design of large storage tanks in petrochemical industry has an important influence on the whole project. CombinedwithanactualprojectwhichusingthedynamiccompactionmethodandCFGpilemethodtodealwiththestoragetankfoundation, theselectionandtreatmenteffectoftheprogramisanalyzedfromadesignpointofview,andthesummaryofthesettlementmonitoringresults are summarized.Some practical experience in the design of large storage tank foundation is put forward,which provides reference for the designandconstructioninthefuture.

storagetank;foundation;dynamiccompactionmethod;CFGpile;compositefoundation

TU472

B

1007-9467（2016）07-0086-04

2016-02-15

阮廣雄（1980～），男，廣東南海人，工程師，從事建筑結構設計與研究，（電子信箱）rgx1980@163.com。